浅谈散热风扇•扇叶上的关键一“环”

扇叶上为什么有个环？

在选购散热风扇时，相信大家都能见到这样的风扇：它们的扇叶外圈有一个“环”，观感非常独特。

亦或这样：

你是否有想过这一“环”的设计目的，是否对它的功能有些疑惑？一圈小小的环，为何成为了各厂商争相应用的“性能秘籍”呢？

在这篇文章里，我们就将详细讲解这一“环”的诞生，以及这一设计的优势。希望能解开你的疑惑。在此之前，我们需要先从“框叶间距”这一概念说起。

框叶间距是什么？

顾名思义，“框叶间距”，抑或“尖端间隙”，指的是风扇的扇叶末端与内边框的距离。它对风扇的性能有着相当大的影响，有时甚至能够超越扇叶本身。

众所周知，扇叶的尺寸越大，风扇的性能越强。但在通常情况下，12cm风扇的间距至多也仅有3mm左右。相比120mm的框体直径，叶框间距对扇叶尺寸虽有影响，但可谓微乎其微。

而令叶框间距起决定性作用的因素，正藏在“框”与“叶”之间。在风扇转动时，扇框与扇叶间微小的间隙会泄露一些气流。这些泄露的气流在附近产生涡流，造成所谓“尖端泄露”。

（图片来自AutoAero）

涡流所产生的位置正是扇叶末端，而对我们所使用的散热风扇而言，扇叶末端的线速度最大，因而对性能的影响也最高。泄露的气流量越多，产生的涡流也越多，风扇的效率愈发明显地下降，产生的噪音越来越剧烈地增加。

根据追风者的说法，在散热器与冷排上，叶框间距每缩小0.1mm，CPU温度便会下降1-2℃。框叶间距的重要性可见一斑。也正因此，在强调性能的风扇上，往往会不遗余力地压缩叶框间距。

但是，叶框间距也并非越小越好。事实上，压缩叶框间距会遇到相当大的困难，甚至有些“吃力不讨好”。

叶框间距的挑战

在较高的转速下，风扇的扇叶末端会承受不小的离心力。它们会让扇叶的直径略微变大，缩小扇叶与扇框之间的间隙。风扇的转速越高，离心力的作用就越明显。

尽管这一变化造成的影响非常细微，通常不足1mm，在用户眼中常常可以忽视。但对于风扇设计而言，这是一项巨大的挑战。

当扇叶形变量大于框叶间距时，扇叶与扇框间发生剐蹭，严重的“扫膛”现象就此发生。扫膛产生的噪音极为刺耳，将让人彻夜难眠。它更会对扇叶与扇框造成相当大的损害，意味着风扇寿命的终结。

拉高风扇的转速，则必然会增大离心力。高转速下，更大的形变让扇框与扇叶的距离变小。为了防止扇叶与扇框产生碰撞，势必要略微增大框叶间隙，而这又会影响风扇在低转速下的性能。

此外，风扇在工作时所产生的振动，也会对叶框间距产生微妙的影响。风扇所使用的轴承不同，高转速下的形变量也会略有差距，搭载含油轴承的风扇，变化量会略大于双滚珠轴承。

雪上加霜的是，考虑到风扇需要有高可靠性，热胀冷缩的影响也不能忽视。而吊装与垂直安装的重力作用不同，也会造成叶框间距的变化。

此外，经年累月的反复形变，离心力还会让扇叶产生微小的“蠕变变形”，进一步缩小框叶间距。

越小的框叶间距，意味着留给扇叶的形变量就越小。为了不产生灾难性的“扫膛”情况，在风扇的设计阶段，这些因素都应当被充分考虑进来。

也正因此，尽管对性能的影响非常大，各品牌风扇的叶框间距还是不约而同地保持在1-2mm左右。

破局者•设计篇

然而，绝对性能实在是太具有吸引力，因此也诞生不少缩小叶框间距的例外作品。大名鼎鼎的“温柔台风”，便是NIDEC工业设计的结晶。

“温柔台风”特别加强了扇叶根部，并将风扇的轴心设计得相当大。在材料方面，NIDEC在PBT与ABS中混合了玻璃纤维，以此增强扇叶的性能。这一切都是为了对抗离心力的影响，从而尽可能地缩小框叶间距。

但即便NIDEC已经做了如此多改进，“温柔台风”的扇叶还是只能达到约2500RPM的最高转速。对于消费级市场而言，这或许已经够用了。但对工业产品来说，这还远远不足。倘若要继续提升转速与性能，就必须得在其它方面下功夫。

对此，NIDEC所选择的路线是——额外加固扇叶！在高转速版本的“温柔台风”GT-Hi上，NIDEC祭出了那著名的“整流环”设计，成就了“温柔台风”在高转速下也始终如一的微小间隙。

虽然名为“整流环”，但它最主要的设计目的其实是加固扇叶。为了减小在高转速下产生的形变，“整流环”因此而诞生。

整流环的位置也经过仔细考量。如前所述，扇叶末端的线速度最大，因而对性能的影响也最高。因此，NIDEC没有将“整流环”直接设计在扇叶的末端，而是保留了一段距离，这也造就了“温柔台风”奇特的外观。

那么，整流环是否会影响性能呢？答案是肯定的。整流环的存在，其实相当于减少了一部分扇叶体积，一定程度上降低了扇叶的同转速性能，风量、风压都受到了一定的影响。身为“温柔台风”系列的老大哥，GT-Hi的同转表现反而不如低转速的GT。

但是，整流环拥有引导气流的作用，同时保持了更小的框叶间距，因此扇叶在同转下的噪音得以降低。相比其它高转速的“暴力风扇”，“温柔台风”能够在同等噪音下达到更高的转速。

此外，在没有扇框的情况下，“整流环”还能显著提升风扇的密封性，甚至反而能大幅提升风扇的同转性能。因此，显卡风扇正越来越多地采用“整流环”。

“整流环”的设计得到了广泛认可。酷冷至尊的莫比乌斯、SF120M等风扇，也采用了与“温柔台风”类似的环形扇叶设计。

而在Arctic的产品上，环形扇叶的设计目的更加明显。

在AC P12/P14风扇上，标志性的五片扇叶薄如刀片。它们承受着很大的离心力，强度限制了扇叶潜力的发挥。

因此，当ARGB版本的P12更换为材料更加脆弱的透明叶片时，Arctic就额外为它设计了加固环。这略微降低了P12 ARGB的同转性能，但显然是值得的。

最近，Arctic还发布了最新的P12 MAX系列风扇，为普通版本的P12也附上了加强环。

小小的叶框间隙，却凝聚了工程师无数的心血。一分一毫之间，决定着风扇性能的高低。